關(guān)于板材優(yōu)化下料方案研究

板材優(yōu)化下料方案研究下料問題(CuttingStockProblem)是一個(gè)應(yīng)用范圍很廣的熱門研究問題，它的特殊情況是裝箱問題。

人造板材下料方案影響著產(chǎn)品生產(chǎn)成本、報(bào)價(jià)和和材料采購。特別對(duì)于同規(guī)格、大批量的產(chǎn)品來說，企業(yè)總要花大量人力核算下料方案，微小的調(diào)整就有可能節(jié)約可觀的原材料費(fèi)用。無論是人工經(jīng)驗(yàn)排料，還是計(jì)算機(jī)輔助排料都難以達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的程度，小批量生產(chǎn)中需要多種規(guī)格家具混合計(jì)算，加之下料存在的主要問題是計(jì)算時(shí)間和空間呈指數(shù)增長，并且假定供排料的矩形件總數(shù)是無限的，這使市場(chǎng)上現(xiàn)有行業(yè)軟件也黯然失色。

如何結(jié)合板式家具的結(jié)構(gòu)和加工工藝，通過計(jì)算機(jī)輔助得到更優(yōu)解呢？本文針對(duì)這個(gè)展開論述。

1

板式家具的結(jié)構(gòu)分析

下料中難度最大的為實(shí)心壓板部件和覆面空心結(jié)構(gòu)板等異形部件，對(duì)于骨料、尺寸過小的部件在下料時(shí)往往要經(jīng)過尺寸上的合并處理。下面按實(shí)際生產(chǎn)中各種因素進(jìn)一步細(xì)分，討論家具結(jié)構(gòu)對(duì)下料方案的影響。

1.1

板材分類

排料方案所需數(shù)據(jù)是根據(jù)板材的規(guī)格分批處理的，不能將不同材料的零件放在一起排序，每個(gè)零件必須標(biāo)明所用材料規(guī)格。排料前首先要對(duì)不同品種、不同規(guī)格的板材進(jìn)行分類，然后按各個(gè)不同類別單獨(dú)計(jì)算用量。

中密度纖維板常用作骨架材料，由于其沒有方向性，細(xì)小板條都可以用來做骨架，故中纖板的利用率極高。

有紋理的膠合板和二次加工板價(jià)格較貴，用于外表顯著的部位，其利用率相對(duì)較低，這是板材下料中需要重點(diǎn)解決的問題。

對(duì)于沒有紋理的加工板，常用于隱蔽的零部件。由于大多二次加工板表面有光滑的保麗紙或者華麗紙，其在厚度方面上是不能用來壓板的，一般情況下，用作骨架的中纖板允許存在一定偏差，飾面板和普夾板則視其加工工藝而定。

1.2

紋理定向

指有紋理的板材在排料時(shí)需要考慮零件的方向性，分為定向和非定向兩種。定向要求紋理與零件某一長度方向一致。一般情況下，家具高度方向上為順紋理，具體到各個(gè)部件也不盡相同。如大班臺(tái)的側(cè)板高度方向?yàn)轫樇y理；抽屜面板同樣如此，但對(duì)于抽屜面板本身來說，自身長度方向是與順紋理方向垂直的；抽屜底板在深度方向紋理要與面板紋理相呼應(yīng)?？傊?，紋理方向不能單獨(dú)按零件自身的長寬比來確定。

1.3

實(shí)心壓板部件

對(duì)于較厚的實(shí)心壓板部件，按厚度要求對(duì)板材規(guī)格進(jìn)行結(jié)合。下料時(shí)對(duì)壓板部件厚度尺寸上進(jìn)行分解后，合理選擇相應(yīng)規(guī)格板材。

用模具對(duì)其加壓彎曲的時(shí)候，選用相對(duì)較薄的板材，如彎曲的床屏側(cè)腳最好采用5mm的中纖板來壓板；若彎曲度較大，則芯部要采用狹長的板條；當(dāng)然應(yīng)該盡量減少膠合的層數(shù)，如對(duì)厚重的腳，25mm的中纖板是最佳選擇。

1.4

覆面空心結(jié)構(gòu)板

表面常用加工板或膠合板，內(nèi)部骨料用各種規(guī)格的中纖板。

對(duì)該結(jié)構(gòu)板材的處理，中纖板的厚度選擇則是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，這也是下料軟件的一個(gè)重要性能指標(biāo)。一方面骨料尺寸較小常常從余料中選擇，另一方面其厚度尺寸可能利用本來寬度方向的尺寸。

1.5

連開處理

連開處理常常用于下面兩種情形：

1.面積較小零件：這是因?yàn)檩^小的零件在較小的板材尺寸允許范圍就可以產(chǎn)生太多的組合，若不處理則大幅降低開料速度。

2.封邊尺寸較小的方向：后序工藝要對(duì)其進(jìn)行封邊，若該尺寸較小，不處理則降低了封邊效率。

這樣，開料時(shí)可對(duì)一定數(shù)量組合的零件整體參與排料，包括鋸路寬度和邊工余量。

2

針對(duì)板式家具下料軟件的開發(fā)思路

和常規(guī)軟件一樣，要有完善的功能體系，如下料清單生成、庫存處理、局部調(diào)整、圖紙打印、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫等。下面僅對(duì)其核心技術(shù)模塊的開發(fā)進(jìn)行討論。

2.1數(shù)據(jù)初始化

主要對(duì)其基本工藝參數(shù)進(jìn)行確定，基本要點(diǎn)如下：

1.項(xiàng)目分解

將各部件按組合方式和板材規(guī)格分解為單個(gè)零件，并生成凈尺寸的清單，重新編號(hào)。

2.板材選擇

選用各零件所用板材種類、規(guī)格和余料情況。排料時(shí)將按不同規(guī)格的板材分類優(yōu)化。

3.尺寸確定

結(jié)合各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)和加工工藝，確定其凈尺寸、毛料尺寸。

4.紋理定向

選擇紋理是否需要定向。若定向，是否允許一定比例或數(shù)量?jī)?nèi)的零件可以不定向。

5.鋸路寬度

精確到0.5mm，亦可據(jù)刀片壽命和板材類別略作調(diào)整。

6.批量

上面分析僅僅是對(duì)單件而言，成本預(yù)算時(shí)批量將影響成本，此項(xiàng)單列可用于不同批量下的快速報(bào)價(jià)。

2.2

數(shù)據(jù)庫建立

能夠兼容Excel，Access，DBF等格式的文檔，并可以相互導(dǎo)入和導(dǎo)出。

對(duì)常用設(shè)計(jì)圖紙的軟件可以進(jìn)行智能選擇。

2.3

算法設(shè)計(jì)

下料屬于裝箱問題的特殊情況，目前實(shí)際應(yīng)用中常用的求解方法有：

1.近似圓整法。即不作整數(shù)規(guī)劃，在得出實(shí)數(shù)最優(yōu)解后就終止最優(yōu)解搜索，然后進(jìn)行近似取整，這種方法在下料數(shù)量大時(shí)還可以，但數(shù)量少時(shí)，誤差較大。

2.人工整數(shù)規(guī)劃。這種方法的優(yōu)化效果比近似圓整好，但這種方法對(duì)人的知識(shí)要求增高，操作復(fù)雜，同時(shí)所得解并非是理想的最優(yōu)解。

3.采取時(shí)間判別終止法，即在整數(shù)規(guī)劃允許到一定時(shí)間后仍不收斂，程序自動(dòng)終止。

算法設(shè)計(jì)中，并非一味追求高利用率，還要考慮工藝上的現(xiàn)實(shí)性，這樣才有實(shí)際意義。例如，一般情況下，一塊完整的板材允許有兩到三塊的零件參與排料，其鋸路也要規(guī)整，過多的零件組合和繁瑣鋸路降低了開料的速度，生產(chǎn)中往往是不可行的，這也是目前市場(chǎng)上軟件最為欠缺的。

2.4

數(shù)據(jù)重組

一個(gè)下料任務(wù)中，可能包括多個(gè)家具產(chǎn)品，并且每個(gè)產(chǎn)品的數(shù)量不同。好的開料軟件可以方便快捷的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，不需要直接修改原數(shù)據(jù)。這是一些CAD二次開發(fā)軟件需要進(jìn)一步突破的。

2.5

輔助功能

在滿足下料任務(wù)的前提下，為盡量提供生產(chǎn)效率，降低成本，有如下需求：

1.基于標(biāo)準(zhǔn)零件庫，自動(dòng)生成下料清單，進(jìn)行利用率和利用量的計(jì)算，并對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行計(jì)算。

2.對(duì)應(yīng)于自動(dòng)生成下料清單，同時(shí)也應(yīng)具有手工輸入下料數(shù)據(jù)的功能。以適應(yīng)小批量臨時(shí)性的加工任務(wù)。

3.下料時(shí)充分利用現(xiàn)有余料，達(dá)到減少廢料，節(jié)約成本的目的。

4.根據(jù)排料結(jié)果，確定板材原材料的需求，由庫房根據(jù)需求定制采購計(jì)劃。避免庫存資金的占用。

5.根據(jù)下料清單和單位加工工時(shí)定額，估算加工工時(shí)，制定詳細(xì)的生產(chǎn)計(jì)劃下發(fā)車間，嚴(yán)格控制生產(chǎn)周期，保證按合同期限交貨。

6.預(yù)備下料任務(wù)的安排。生產(chǎn)較空閑時(shí)，安排常用標(biāo)準(zhǔn)板材零件的加工。

2.6

拓展功能

主要是通過允許存在偏差進(jìn)行合理優(yōu)化。

對(duì)機(jī)械加工來說，對(duì)板材的下料要求極為嚴(yán)格，可以說是分毫不差。但在家具設(shè)計(jì)中，允許板材尺寸存在偏差，且不影響整體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。如文件柜的活動(dòng)擱板，若假設(shè)寬度允許存在1~2mm的偏差，完全不影響文件柜的結(jié)構(gòu)性能。其實(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中，假設(shè)的偏差范圍往往在允許的誤差范圍之內(nèi)，但正是這個(gè)假定，借助計(jì)算機(jī)就有可能算出更優(yōu)的排料方案。

進(jìn)一步講，若家具各部件尺寸已定，在已得較優(yōu)方案下，能否計(jì)算出某個(gè)零件若允許存在一定偏差時(shí)能使整體用料顯著下降，再回頭設(shè)計(jì)圖紙，將與此相關(guān)的尺寸下調(diào)1~2mm，可能降低幾個(gè)百分點(diǎn)的板材利用率，這也是快速報(bào)價(jià)必須考慮的問題；另一方面，在不影響板材有效利用率時(shí)權(quán)衡邊料回收與鋸路工序成本，必要時(shí)增加毛邊尺寸，來提高生產(chǎn)效率，這是生產(chǎn)管理所要考慮的問題。

更多的情況是下料方案設(shè)計(jì)中，零件尺寸多為含有加工余量的毛料尺寸。其加工余量在一定范圍內(nèi)如何確定，可以有效通過計(jì)算機(jī)輔助得到更優(yōu)解。

大批量生產(chǎn)的情況下，下料方案的優(yōu)化對(duì)節(jié)約成本有極其重要的意義，目前靠人工和計(jì)算機(jī)交互計(jì)算難以達(dá)到最優(yōu)。通過討論，將家具方面相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，同數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算結(jié)合起來，為計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)成為一種可能。相信在不久的將來，智能的下料軟件將更好的服務(wù)于家具設(shè)計(jì)，為節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)貢獻(xiàn)力量3.2板式家具現(xiàn)代配料

板式家具現(xiàn)代配料的特征就是由經(jīng)過優(yōu)化的排料圖進(jìn)行指導(dǎo)生產(chǎn)，其形式有電子開料鋸優(yōu)化和PC機(jī)優(yōu)化兩種。電子開料鋸優(yōu)化是由電子開料鋸自帶排料圖軟件實(shí)現(xiàn)的。需配制的零件尺寸輸入電子開料鋸。輸入方式有開料現(xiàn)場(chǎng)手輸入和通過網(wǎng)絡(luò)輸入兩種，其效果是基本上一樣的。然后按優(yōu)化后排料圖手工控制電子開料鋸開料，或者由電子開料鋸全自動(dòng)開料。

PC機(jī)優(yōu)化是指在PC機(jī)上運(yùn)用優(yōu)化軟件對(duì)輸入的零件尺寸進(jìn)行優(yōu)排料，并打印成圖。工人按排料圖進(jìn)行優(yōu)化開料。

現(xiàn)代配料加工的工藝設(shè)備能高效、優(yōu)質(zhì)地保證現(xiàn)代配料工藝的實(shí)施。與傳統(tǒng)配料相比，現(xiàn)代配料有不少優(yōu)點(diǎn)。

（1）現(xiàn)代配料提高了出材率。通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格人造板進(jìn)行排料圖優(yōu)化，減少了排料時(shí)隨意性，同時(shí)電子優(yōu)化的排料圖是經(jīng)過軟件多方案比較后所得到的最佳方案，因此出材率要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的配料工藝。

（2）現(xiàn)代配料提高了生產(chǎn)效率。由于事先有了排料圖，所以加工時(shí)可以直接開料，不需要現(xiàn)場(chǎng)思考被加工零件尺寸和出材率問題，因此生產(chǎn)效率高。

（3）現(xiàn)代配料能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化和信息化。隨著現(xiàn)代電子開料鋸的自動(dòng)化程度越來越高，完全可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)量匯總等。也可以與ERP系統(tǒng)相聯(lián)實(shí)現(xiàn)真正的現(xiàn)代生產(chǎn)和管理模式，解決小批量多品種的家具需求與大規(guī)模生產(chǎn)的要求。

（4）現(xiàn)代配料具有柔性。當(dāng)電子開料鋸與其輔助裝置都由計(jì)算機(jī)控制時(shí)，其柔性就是真正意義上的柔性。因?yàn)檫@時(shí)無論產(chǎn)品如何變化，需配料加工的零件都可以在工藝不變的情況下，在生產(chǎn)線上由計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)上料、下料、進(jìn)入工位等一系列工作，同時(shí)還能保證較高的出材率。板式家具是家具行業(yè)中年輕的一支，因其基材的性能良好，并有充足的貨源，簡(jiǎn)捷的加工工藝（相對(duì)于實(shí)木家具而言），使其更符合現(xiàn)代家具的生產(chǎn)特點(diǎn)。近年來，板式家具的生產(chǎn)形式、特點(diǎn)已經(jīng)在相當(dāng)大的范圍內(nèi)溶人實(shí)木家具，乃至軟包家具、裝飾裝修工程中．生產(chǎn)實(shí)踐表明，節(jié)省板材是板式家具生產(chǎn)中一個(gè)基本而重要的方面，和提高生產(chǎn)效率、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、加大銷售力度等問題同等重要．下面從以下幾個(gè)方面探討板式家具加工中如何節(jié)省板材的問題．

1從部件的規(guī)格入手

人造板的規(guī)格基本上都是英制尺寸（4英尺×8英尺、4英尺X6英尺等，即1220mm×2440mm、1220mm×1830mm），板式家具是以人造板為原料的，因此，如果我們把部件的規(guī)格確定為392、95、595、195等尺寸，和原料的規(guī)格尺寸相適合，就會(huì)提高板材的利用率，減少浪費(fèi)．這是板式家具中一個(gè)基本的常識(shí)．

但要注意的是，如果某種款式的家具得到了市場(chǎng)的認(rèn)可，而它的某些部件規(guī)格，因造型、用途等需要，會(huì)比較浪費(fèi)材料（比如某些辦公桌的臺(tái)面，尺寸為1400mmx700mm）．一張1220mmx2440nnn的板材只能出一個(gè)臺(tái)面，浪費(fèi)較大），那么我們也不能教條，應(yīng)當(dāng)在盡可能地調(diào)整其規(guī)格的情況下，使尺寸符合這種規(guī)格．因?yàn)橹挥袖N售出去，才能創(chuàng)造效益，節(jié)省板材的意義才能實(shí)現(xiàn)．所以，節(jié)省板材不是一個(gè)孤立的問題，我們要從全局著眼，靈活掌握.

另外，我們?cè)谑共考?guī)格符合原料規(guī)格后還要考慮一下，能否再將尺寸縮小一點(diǎn)．比如一個(gè)抽屜側(cè)板，我們把它的寬度定為115mm，原料板材的寬度一般是1220mm這個(gè)尺寸非常有利于提高出材率．但是我們應(yīng)該再看一下，是否可以把它的寬度改為105mm如果單單看這個(gè)尺寸，是不如95mm,80mm等尺寸利于出材率，但是它相對(duì)于115nun．卻是節(jié)省了板材．這是一個(gè)實(shí)際工作中經(jīng)常被忽視的問題。

2從部件的厚度人手

家具生產(chǎn)中有許多習(xí)慣，這些習(xí)慣有好有壞．比如北方的家具，往往有粗重的習(xí)慣，往往習(xí)慣性地使用厚板、大板，這對(duì)材料的利用，在有些情況下是不利的．如抽屜的側(cè)板，我們常用16mm、18mm厚的板材；但南方許多廠家，在高檔家具中已經(jīng)普遍使用12mm厚的板材。實(shí)踐證明，在造型和強(qiáng)度上，這種尺寸都經(jīng)受住了考驗(yàn)．推而廣之，一些小的層板、隔板，以至于側(cè)板、頂板（比如床頭柜），都可以用12mm的薄板．

3從部件的結(jié)構(gòu)入手

許多部件，比如側(cè)板、隔板、頂板，為了造型、使用的需要，需要比較厚的板材，這時(shí)候就不能為了省料而用薄板，但是我們可以用包鑲結(jié)構(gòu)，也就是常說的“空心結(jié)構(gòu)”，即先用木材做成木框，然后用膠合板覆面，這種做法既節(jié)省了材料又減輕了部件的重量．此舉已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，被普遍地采用．但是，一些承受重量的部件，比如辦公桌的臺(tái)面，就不宜用這種結(jié)構(gòu)．

還有一種空心板材，芯材采用強(qiáng)度較高的蜂窩紙（已有成熟的工藝），成本比木材做芯材的空心結(jié)構(gòu)有所降低，其強(qiáng)度也能達(dá)到使用要求，但目前采用廠家尚少，還未經(jīng)市場(chǎng)考驗(yàn)．但隨著木材的限量采伐，從降低成本、增加競(jìng)爭(zhēng)力出發(fā)，這種材料是值得一試的.另外，還有鑲邊、假邊等結(jié)構(gòu)工藝，都可以降低材料的用量。

4從家具的結(jié)構(gòu)入手

家具要有一個(gè)穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，就是常說的“結(jié)實(shí)”，有些家具省去某些部件后仍能滿足“結(jié)實(shí)”的要求。我們審視過去許多常用的產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)許多可以省去的部件，這種節(jié)省往往是巨大而又常被忽視的。此外，要突破常規(guī)框框，多設(shè)計(jì)一些新穎、新奇、結(jié)構(gòu)造型簡(jiǎn)捷的產(chǎn)品，這樣更能收到事半功倍的效果．

5從生產(chǎn)的安排入手.

隨著家具的大批量生產(chǎn)，會(huì)有許多剩余的原料不能充分利用．這時(shí)，我們應(yīng)該設(shè)計(jì)一些適于這些原料尺寸的產(chǎn)品，定期生產(chǎn)一些推向市場(chǎng)，這也是一項(xiàng)節(jié)省原料的重要方法

6從原料的質(zhì)量入手

生產(chǎn)中我們應(yīng)盡量采用合格的板材，但有時(shí)由于種種原因，如購進(jìn)一些強(qiáng)度不甚好、厚度不均的板材，這時(shí)候退貨已經(jīng)不可能，可以把它們用于對(duì)強(qiáng)度、厚薄要求不高的內(nèi)部層板、活層板、抽屜的后板等處。但應(yīng)注意材料的外觀一定要過關(guān)．

7充分利用過時(shí)的原材料

一些顏色、圖案過時(shí)的舊原料，不要長期積壓在倉庫中，可以充分利用到不見光的家具部位，如底板、柜箱中的隔板等。而不必強(qiáng)求和外表面料顏色、圖案相一致．市場(chǎng)證明，這種不影響外觀、不影響使用的方法，顧客是不會(huì)苛求的。57710018030900120955790368228596330825771001803090012386576137399735760696577100180309001359457807757990251551257710